中性粒子ビームの口径拡大方法及び口径拡大装置
【課題】 中性粒子ビームのビーム径を広げ、基板上のより広い面積に粒子の堆積を行う
。
【解決手段】 中性粒子生成源として不活性ガスを満たしたクラスター生成容器５内で、
間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材料蒸気の分子又は原
子同士の結合によりクラスター群を形成せしめ、形成されたクラスター群を、該クラスタ
ー生成容器５の容器窓７から中性粒子ビームとして流出せしめ、該中性粒子ビームの途中
において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させるガイド１１ａお
よびガス噴射口１２ａを設け、中性粒子の流れを変化させる。
。
【解決手段】 中性粒子生成源として不活性ガスを満たしたクラスター生成容器５内で、
間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材料蒸気の分子又は原
子同士の結合によりクラスター群を形成せしめ、形成されたクラスター群を、該クラスタ
ー生成容器５の容器窓７から中性粒子ビームとして流出せしめ、該中性粒子ビームの途中
において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させるガイド１１ａお
よびガス噴射口１２ａを設け、中性粒子の流れを変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子又は分子の集合体である中性粒子ビームを基板上に堆積させて膜を形成
する技術に関し、特に、膜を形成する際、中性粒子ビームの口径を拡大する中性粒子ビー
ムの口径拡大方法及び口径拡大装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノエレクトロニクス、光エレクトロニクス、バイオテクノロジ等の多くの分野
における技術進展のために、新しい機能や、性能を備えた膜作りの手段として、原子ある
いは分子の集合体であるクラスター粒子の研究開発が多くなされている。その中で、電気
的に中性な中性粒子のビームは、堆積する基板が電気的に絶縁性のあるものでもよいので
、対象物を選ばない利点がある。このような中性粒子ビームの半導体分野への適用例の一
つを挙げれば、パルスレーザを用いて固体材料からの中性クラスター即ち中性粒子を作り
、中性粒子ビームを取りだすものがある。具体的には、パルスレーザをターゲット材料に
照射し、発生した蒸発原子を不活性ガス中でクラスターに成長させ、これを不活性ガス源
と真空との圧力差による流れによって、中性粒子ビームとして出力するものである。
【０００３】
さらにまた、より進化して、粒子寸法を揃え、数ナノの寸法の粒子ビームを作る手段と
して、特許文献１記載のクラスター生成法及び装置が提案されている。この改良装置の動
作原理を図９に示す。Ａ点に設置されたターゲット材料１にパルスレーザ光２を照射し、
材料原子の蒸気３を発生せしめる。この蒸気圧が、その前面に存在する不活性ガス、例え
ばＨｅガスに衝撃を与えて、衝撃波４を作り、この波は容器５に反射して、Ｂ領域に焦点
を結ぶように集まってくる。その時点に材料原子の蒸気３は丁度Ｂ領域に到達し、材料蒸
気が反射して集まってきた不活性ガスに閉じ込められ、シリコン原子が結合しクラスター
６を形成する。この方法で５ｎｍ以下の微細で寸法の揃ったクラスター粒子が作成される
ことの可能性は非特許文献１に示されるように実験的に確認されている。
【特許文献１】特開２００１−１５８９５６号公報
【非特許文献１】「シリコンナノブロックの配列秩序形成と薄膜生成システムの実用化」；レーザ加工学会誌、第１０巻、第３号、２００３．１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
中性粒子ビームの製品への活用において最も重視されるのは膜の製作コストである。従
って、単位時間に製作される膜の延べ面積ができるだけ大きいことが望まれる。また、Ｌ
ＳＩ製造の例で見られるとおり、膜を適用する製品のコスト低減のために基板を大型化し
て量産効率を上げるなど、広い面積への膜の適用が要求される場合が多い。
図９に示した従来の改良型装置の膜生成は、図１０に模式図を示す通りクラスター粒子
生成容器５の窓７から不活性ガスと共に流出させた中性粒子ビームがスキマー８を通過す
る。この際、スキマー８には電位が与えられており、窓７から流出した粒子ビームの中に
含まれる、電荷を持った成分は除去される。スキマー８を通過した中性粒子ビームは、基
板９に垂直に衝突してクラスター膜１０を形成する。
【０００５】
この装置で大面積への膜作りのためには、中性粒子の生成速度を高め、中性粒子ビーム
内の粒子密度を高め、同時に基板を走査する速度を高めることで、同じ厚さの膜の面積を
広め、製作コストの低減を図ることになる。この場合中性粒子ビームはその断面内に粒子
密度分布を持ち、このビーム断面内の粒子密度分布が基板への蒸着の際に膜厚の不均一性
の主要因になる。通常は基板上走査を複数回重ねることにより、ビーム蒸着の際のビーム
断面内の粒子密度分布による膜厚不均一性を緩和することが一般的であるが、必要な基板
サイズに対してビーム径が極端に小さい場合には、膜厚の不均一性を緩和するために必要
な走査回数が増大し、膜厚の均一性の確保が困難になり、薄膜生成の制御性に問題が生じ
る。例えば、近年のエレクトロニクス産業における低価格化の要請から半導体基板サイズ
は３００ｍｍ径が主流になりつつあり、更に近い将来４００ｍｍ、５００ｍｍ径の半導体
基板の利用も想定される。それに対して、真空ポンプの排気量の制約などから、中性粒子
ビーム径は大きいものでも２０ｍｍ以下が一般的であり、大面積の基板への均一な薄膜蒸
着には更に大口径の中性粒子ビームが必要とされている。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであって、中性粒子ビームのビーム径を
広げ、基板上のより広い面積に粒子の堆積を行うことができる中性粒子ビーム口径拡大方
法及び口径拡大装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法は、中性粒
子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆積させる
際、該中性粒子ビームのビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大方法において、該
中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用
させる手段を設け、該中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴とする。
【０００７】
この構成は、本発明の基本構造を示すもので、中性粒子生成源から出力された粒子ビー
ムの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段を
設け、該中性粒子ビームのビーム径を拡大することを特徴とする中性粒子ビームの口径拡
大手法を提案する。即ち、ビームの断面の中心からビームの周辺に向かう物理的力を中性
粒子群に与えることで、ビームの口径を広げるものである。
この構成によれば、高性能化された中性粒子生成源から出力される中性粒子ビームのビ
ーム径を途中で拡大し、基板上のより広い面積に粒子の堆積を行うことができ、基板の膜
厚の成長速度も遅くすることが可能で、膜厚の制御、膜の均一性を得易いというメリット
を持つ。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
前記中性粒子生成源としてクラスター生成容器を用い、不活性ガスを満たした該クラスタ
ー生成容器内で、間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材料
蒸気の分子又は原子同士の結合によりクラスター群を形成せしめ、形成されたクラスター
群を、該クラスター生成容器の容器窓から中性粒子ビームとして出力せしめることを特徴
とする。
【０００９】
この構成は、請求項１における中性粒子生成源の具体的実現手段を提供するものである
。即ち、図９に示したクラスター製造技術により生成されたクラスター粒子群を図１０に
示す如く容器の窓から中性粒子ビームとして出力せしめるもので、容器の窓から基板に至
る中性粒子ビームの流路Ｃに粒子ビームの流れを広げる手段を設け、容器の窓の面積に対
して基板上のより広い面積に粒子を散布することを特徴とする中性粒子ビームの口径拡大
方法を提案するものである。当然のことながら、膜形成過程では、基板を移動させ、より
広い面積に均一な密度に中性粒子に基づく膜を生成することができる。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変化
させるガイドであることを特徴とする。
この構成は、中性粒子の流れを変化させ広げる手段として、機械的なガイドを利用した
ものである。ガイドの形状として例えば頂点が中性粒子発生源に向いている円錐状の障害
物を用いれば、ビームの流れを乱すことが少なく周囲に均等に拡げることができ、中性粒
子ビームを基板上のより広い面積に堆積することができる。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの方
向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは不活性ガスを含むことを
特徴とする。
【００１２】
この構成は、中性粒子の流れを変化させ広げる手段として、ガス圧を利用したものであ
る。なお、ガス圧利用にあたっては、ガス噴出の様態には種々あり、粒子ビームの流れる
方向に対して逆方向、順方向、横方向にガスを噴出させる様式があり得る。しかし、いず
れの場合も、ガスの噴出は、粒子ビームの断面で見て中心部でなされ、あるいは、中心部
に向けてなされ、ガスの圧力がビーム粒子に対してビーム断面の中心から周辺部に向かう
力が加わるように行われ、ビーム断面積が拡大する方向にビーム粒子の流れを変化させる
ものである。これにより、前述したガイドと同様に、中性粒子ビームのビーム径を広げ、
基板上のより広い面積に粒子の堆積を行うことができる。
さらに、逆方向あるいは順方向のガス噴出は、ビーム粒子速度を減速あるいは加速させ
る機能を有するものである。これにより、ビーム粒子速度を堆積膜形成上好ましい速度に
調整することが可能となる。
【００１３】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの方
向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは、該中性粒子と結合して
基板に堆積後の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分を
含むことを特徴とする。
この構成は、中性粒子の流れを変化させるガスに、単なる不活性ガスだけではなく、粒
子の周囲に、粒子堆積時に各粒子間を結合せしめる物質、例えば酸素原子を付加せしめる
反応性ガス成分を含ませたものである。これにより、基板上のより広い面積に粒子を堆積
せしめると同時に、膜の電気的性質を変化せしめることができる。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変化
させるガイドと、該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力と
を併用し、該ガスは不活性ガスを含むか、あるいは、該中性粒子と結合して基板に堆積後
の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分を含むことを特
徴とする。
【００１５】
この構成は、中性粒子の流れを変化させ広げる手段として、前述の請求項３と請求項４
の手段を併用しているが、さらに、請求項３と請求項５の手段の併用も提言している。す
なわち、前述した機械的なガイド及びガス圧の両手段を併用し、かつ、ガスの成分として
、請求項４記載の不活性ガス、請求項５記載の該中性粒子間を結合させる成分のいずれの
場合もありうることを主張している。また、上記反応性ガスの反応効果を高めるために噴
出ガスを予め加熱しておくことも有効手段である。これにより、より効果的に、基板上の
より広い面積に粒子の堆積を確実に行うことができる。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの方
向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該中性粒子中に含まれる該中性粒
子と質量の異なる粒子を除去する手段をさらに設けることを特徴とする。
【００１７】
この構成は、請求項４における粒子ビームの流路で噴出させるガス圧を活用し、中性粒
子中に含まれる所望の中性粒子と重さが異なる混入物の除去を併せて行うことを特徴とす
るものである。なお、所望の中性粒子と重さが異なる混入物としては、材料ターゲットに
レーザビームを照射する際、表面から中性粒子形成の元になる材料蒸気の他にターゲット
表面で溶融した材料の液状飛沫がある。これは、レーザビーム照射量の増大に伴ってター
ゲット表面の溶融が起こり、不安定な過熱状態になると後続ビーム照射等の刺激により爆
発的な気化が起こり、溶液を飛散させる現象と考えられる。
【００１８】
また、請求項８の発明は請求項１〜７のいずれか１項に記載の中性粒子ビームの口径拡
大方法に係り、中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当てる手段にお
いて、該中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう
力を作用させる手段を設け、該中性粒子ビームのビーム径を拡大せしめると共に、該ビー
ムの流路の周囲にビーム粒子の広がりを限定する覆いを設けたことを特徴とする。
この構成は、ビームの流路の周囲にビーム粒子の広がりを限定する覆いを設けたことを
特徴とするものであり、これにより、拡大されたビーム口径を規定し、粒子量の散逸を防
ぎ、規定領域内の膜の平坦化に寄与するものである。
【００１９】
また、請求項９記載の中性粒子ビームの口径拡大装置は、中性粒子生成源から出力され
た中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆積させる際、該中性粒子ビーム
のビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大装置において、該中性粒子ビームの途中
において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段を有し、該
中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴とする。
【００２０】
この構成は、中性粒子生成源から出力された該中性粒子ビームの途中において該中性粒
子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段を有し、中性粒子生成源から
出力されたビーム径を拡大することを特徴とする中性粒子ビームの口径拡大装置を提案す
るものである。この装置を用いることにより、中性粒子生成源の装置が高性能化され、高
密度の中性粒子ビームを送出した場合に、粒子ビーム径を広げて、基板上により広い面積
に適切なビーム内粒子密度で粒子による堆積膜を形成することができ、膜形成の制御が容
易となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、中性粒子ビームのビーム径を広げ、基板上のよ
り広い面積に適切な粒子速度と堆積速度で粒子の堆積を行うことができるという効果が得
られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態は
、クラスター群の流れを変化させ広げる手段について具体的に示した例である。
［第１実施形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る中性粒子ビーム口径拡大方法の原理を示す概略図
である。この図は、クラスター生成容器から流出する中性粒子の流れの方向を変える手段
としてガイドを用いた例を示す図である。
【００２３】
本実施形態では、同図に示すように、中性粒子生成源としてのクラスター生成容器５に
おいて生成され、該クラスター生成容器５から流出された中性粒子ビームの流路の途中に
該中性粒子の流れの方向を変化させるガイド１１を設け、該中性粒子ビームのビーム径を
拡大して、基板９上に堆積させている。クラスター生成容器５は、不活性ガスを満たし、
間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材料蒸気の分子又は原
子同士の結合により中性粒子を形成せしめ、形成された中性粒子を、該クラスター生成容
器５の容器窓７から中性粒子ビームとして流出せしめる。
【００２４】
ガイド１１は、中性粒子ビームの流路のほぼ中心部において該流れの方向を周囲に広げ
るように変化させる。ガイド１１の形状として、例えば同図に示すような円錐状の障害物
を用いて基板１０上への粒子堆積面積を拡大することが考えられる。
なお、図１では、従来用いられているスキマー（図１０の８）は省略されている（以下
の図面も同様）が、ガイド１１で中性粒子ビームを拡大する前、あるいは拡大した後に設
けることができる。
また、当然のことながら、膜形成過程では、基板９を移動させることにより、更に広い
面積に膜を形成することができ、同時に膜厚の均一化を図ることができる。
【００２５】
［第２実施形態］
次に、図２〜図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大
方法について説明する。
図２及び図３は、本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を
示す概略図である。図２は、噴射ガスの方向が中性粒子の流れる方向に対して逆方向の場
合、図３は、噴射ガスの方向が中性粒子の流れる方向に対して順方向の場合を示す。これ
らの図は、クラスター生成容器から流出する中性粒子の流れの方向を変える手段として噴
射ガスの圧力を用いた例を示す図である。
【００２６】
本実施形態では、図１に示したガイド１１の代わりに噴射ガス１３の圧力を使っている
。すなわち、図２及び図３に示すように、ガス噴出機１４のガス噴出口１２から不活性ガ
スからなる噴出ガス１３を噴射することで、クラスター生成容器５の容器窓７から流れて
くるクラスター群６の流れを周囲に分散させ、結果的に基板９上へのクラスター散布面積
を拡大し、広い面積にクラスター膜を形成する。
【００２７】
ここで、噴射ガス１３が噴射される方向は、中性粒子ビームが流れる方向に対して逆方
向、順方向、横方向のいずれの方向も可能であるが、本実施形態においては、中性粒子ビ
ームが流れる方向に対して逆方向の場合（図２）と、順方向の場合（図３）を示す。また
、噴射される位置は、中性粒子ビーム６が流れる方向に直角な断面のほぼ中央部に設定し
ているが、この位置に限定されることはない。
【００２８】
図４は、本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法における噴出ガス
成分に、クラスター６と反応してクラスター６の表面にクラスター間を結合させる物質を
付加せしめる反応性ガス成分を含ませた場合における、堆積された粒子膜の構造を示す模
式図である。中性粒子材料をシリコンＳｉとし、反応性ガス成分として酸素Ｏを含ませた
例である。クラスター生成容器５を用いて得られる中性粒子はクラスター６の膜厚寸法が
揃ったものが得られるという顕著な特徴があり、膜形成時にクラスター間の引力と斥力と
によりクラスター６の格子構造を形成させることが可能となる。また、中性粒子６を形成
するシリコンは，表面に原子間結合の継手が出ており、この継手に酸素原子が結合する。
従って、図４に示すように各Ｓｉ原子が１つのＯ原子と結合した構造の粒子間の結合が考
えられる。粒子間には空隙部分が存在するので、この空隙部分を後で絶縁性物質で埋めて
も埋めなくても、シリコン粒子間には電気エネルギー障壁が形成されることになる。
【００２９】
［第３実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図５は、本発明の第３実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は、図１に示したガイド１１と、図２に示した噴出ガス１３とを併用した実
施形態である。すなわち、ガス噴出機として図５に示すようなガス噴出機１４ａを用い、
このガス噴出機１４ａの中にガイドとして同図に示すようなガイド１１ａを配置し、この
ガイド１１ａの形状を利用してガス噴出口１２ａから噴出された噴出ガス１３ａをクラス
ターの流れの中央部にもぐりこませ、流れを周囲に広げる機能を効果的に実現するもので
ある。すなわち、クラスター群６の流れは、ガス噴出機１４ａから噴出されるガス１３ａ
によって流れの方向が変わり、その際、ガイド１１ａをガス噴出機１４ａの内部に入れて
いるので、噴射ガス１３ａの圧力が弱くてもガス噴出機１４ａの内部に入ることはなく、
ガス噴出機１４ａの外壁に沿って流れることになる。従って、この方法によっても、基板
９上における中性粒子ビームの口径を拡大し、広い面積にクラスター膜を形成すると共に
、膜厚の均一化を図ることができる。
なお、ここで噴射ガス１３ａは不活性ガス成分だけの場合と反応性ガス成分を含む場合
が可能である。
また、図５は噴射ガスがクラスター群の流れと逆方向であったが、順方向の場合であっ
ても、ガイドと噴射ガスを併用する構成は可能である。
【００３０】
［第４実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の第４実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図６は、本発明の第４実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は、クラスター６の流れを図５で説明した第３実施形態に係るガス噴出機１
４によって噴出される噴射ガス１３によって広げると同時に、寸法の揃ったクラスター群
６からそれ以外の混入物を除去する機能を持たせた実施形態である。
【００３１】
すなわち、ガス噴出機として同図に示すようなガス噴出機１４ｂを用い、このガス噴出
機１４ｂの中にガイドとして同図に示すようなガイド１１ｂを配置し、このガイド１１ｂ
の形状を利用してガス噴出口１２ｂから噴出された噴射ガス１３ｂをクラスターの流れの
中央部にもぐりこませることにより、流れを周囲に広げる機能を効果的に実現するもので
ある。ガイド１１ｂには窓を設け、クラスター生成容器の窓７から流れてくる中性粒子６
より重い物質は噴射ガス１３ｂによって流れが変えられずに直進してガイド１１ｂに設け
られた窓に飛び込むことになり、従って、基板９の方に流れることはない。一方、クラス
ター６より軽い物質はクラスター６より更に進行方向が大きく曲げられ、これを遮蔽板１
５により取り除くことができる。
【００３２】
［第５実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第５実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図７は、本発明の第５実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は、図６で説明した第４実施形態と同様に、ガス噴出機１４ｃからの噴射ガ
ス１３ｃによって中性粒子６の流れの方向を変えるのと同時に寸法の揃った中性粒子６か
らそれ以外の混入物を除去する機能を持たせた実施形態である。この場合は、図２で示し
た逆方向、図３で示した順方向ではなく、クラスター６の流れの方向に対して側面（横方
向）からガス１３ｃを噴射している。従って、比較的重い物質は流れの方向を変えずに矢
印Ｄに示すように直進するが、一方、比較的軽い粒子はより大きく流れの方向を矢印Ｅに
示すように変えることになり、これにより混入物を取り除くことができる。そして、この
例においても遮蔽板１５を設置し、クラスター６より軽い物質はクラスターより更に進行
方向が大きく曲げられ、これを遮蔽板１５により取り除くことができる。なお、この場合
も前述した実施形態と同様に、クラスター６の流れを広げることは、クラスター生成容器
５の容器窓７から流れてくるクラスター群６より幅（図面に向かって前後の）の狭い噴出
ガスをクラスター流の中央部に向かって噴出することで実現する。また、この手法を適用
した場合、クラスター流の流速の変化を比較的少なくしてクラスター６を基板９に散布す
ることができるという特徴を持つ。
【００３３】
〔第６実施形態〕
次に、図８を参照して、本発明の第６実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図８は、本発明の第６実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は第１から第５までの実施形態に適用可能な手法であるが、図８は第３の実
施形態の図５に適用した例を示す。中性粒子ビームの口径が拡大する粒子流路の周囲に覆
い１６を設けることにより、拡大されたビーム口径を規定し、粒子量の散逸を防ぎ、規定
領域内の膜の平坦化に寄与するものである。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定
されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態においては、ガイド１１として円錐状の障害物を用いたが、
これに限定されることはなく、種々の形状のガイドを用いることができる。また、基板９
をスイ−プする代わりに、中性粒子ビームとガイド１１の組み合わせを移動させて用いる
こともできるし、基板９と，中性粒子ビームおよびガイド１１の組み合わせとの両方を移
動させて用いることもできる。
【００３５】
また、上述した実施形態においては、ガスの種類として不活性ガスを挙げたが、これに
限定されることなく、クラスター群６の流れを周囲に分散させ、基板９上へのクラスター
散布面積を拡大し、広い面積にクラスター膜を形成することができ、膜厚の均一化を図る
ことができるガスであれば、他の種類のガスを用いることも可能である。
また、上述した実施形態においては、噴出ガスの方向を、中性粒子の流れの方向に対し
て逆方向、順方向、横方向の場合の実施形態を示したが、これに限定されることはなく、
斜め逆方向、斜め順方向等種々の方向に設定することができる。
また、上述した実施形態においては、各手段をクラスター群の流路のほぼ中心部に配置
することが好ましいとしたが、これに限定されることはなく、種々の環境に対応して広い
面積にクラスター膜を形成できる位置ならば、あらゆる位置に配置することが想定される
。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理（逆方向）を示す概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理（順方向）を示す概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法における噴出ガスの成分に反応性ガス成分を含めた場合に堆積された膜の構造の例を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図９】従来例の原理を示す概略図である。
【図１０】従来例のクラスター膜生成方法を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ターゲット、２…レーザビーム、３…材料蒸気、４…衝撃波（の進行方向）、５…ク
ラスター生成容器、６…中性粒子ビーム（クラスター群）、７…容器窓、９…基板、１１
，１１ａ，１１ｂ…ガイド、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ガス噴出口、１３，１３ａ
，１３ｂ，１３ｃ…噴射ガス、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…ガス噴出機、１５…遮蔽
板、１６…覆い
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子又は分子の集合体である中性粒子ビームを基板上に堆積させて膜を形成
する技術に関し、特に、膜を形成する際、中性粒子ビームの口径を拡大する中性粒子ビー
ムの口径拡大方法及び口径拡大装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノエレクトロニクス、光エレクトロニクス、バイオテクノロジ等の多くの分野
における技術進展のために、新しい機能や、性能を備えた膜作りの手段として、原子ある
いは分子の集合体であるクラスター粒子の研究開発が多くなされている。その中で、電気
的に中性な中性粒子のビームは、堆積する基板が電気的に絶縁性のあるものでもよいので
、対象物を選ばない利点がある。このような中性粒子ビームの半導体分野への適用例の一
つを挙げれば、パルスレーザを用いて固体材料からの中性クラスター即ち中性粒子を作り
、中性粒子ビームを取りだすものがある。具体的には、パルスレーザをターゲット材料に
照射し、発生した蒸発原子を不活性ガス中でクラスターに成長させ、これを不活性ガス源
と真空との圧力差による流れによって、中性粒子ビームとして出力するものである。
【０００３】
さらにまた、より進化して、粒子寸法を揃え、数ナノの寸法の粒子ビームを作る手段と
して、特許文献１記載のクラスター生成法及び装置が提案されている。この改良装置の動
作原理を図９に示す。Ａ点に設置されたターゲット材料１にパルスレーザ光２を照射し、
材料原子の蒸気３を発生せしめる。この蒸気圧が、その前面に存在する不活性ガス、例え
ばＨｅガスに衝撃を与えて、衝撃波４を作り、この波は容器５に反射して、Ｂ領域に焦点
を結ぶように集まってくる。その時点に材料原子の蒸気３は丁度Ｂ領域に到達し、材料蒸
気が反射して集まってきた不活性ガスに閉じ込められ、シリコン原子が結合しクラスター
６を形成する。この方法で５ｎｍ以下の微細で寸法の揃ったクラスター粒子が作成される
ことの可能性は非特許文献１に示されるように実験的に確認されている。
【特許文献１】特開２００１−１５８９５６号公報
【非特許文献１】「シリコンナノブロックの配列秩序形成と薄膜生成システムの実用化」；レーザ加工学会誌、第１０巻、第３号、２００３．１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
中性粒子ビームの製品への活用において最も重視されるのは膜の製作コストである。従
って、単位時間に製作される膜の延べ面積ができるだけ大きいことが望まれる。また、Ｌ
ＳＩ製造の例で見られるとおり、膜を適用する製品のコスト低減のために基板を大型化し
て量産効率を上げるなど、広い面積への膜の適用が要求される場合が多い。
図９に示した従来の改良型装置の膜生成は、図１０に模式図を示す通りクラスター粒子
生成容器５の窓７から不活性ガスと共に流出させた中性粒子ビームがスキマー８を通過す
る。この際、スキマー８には電位が与えられており、窓７から流出した粒子ビームの中に
含まれる、電荷を持った成分は除去される。スキマー８を通過した中性粒子ビームは、基
板９に垂直に衝突してクラスター膜１０を形成する。
【０００５】
この装置で大面積への膜作りのためには、中性粒子の生成速度を高め、中性粒子ビーム
内の粒子密度を高め、同時に基板を走査する速度を高めることで、同じ厚さの膜の面積を
広め、製作コストの低減を図ることになる。この場合中性粒子ビームはその断面内に粒子
密度分布を持ち、このビーム断面内の粒子密度分布が基板への蒸着の際に膜厚の不均一性
の主要因になる。通常は基板上走査を複数回重ねることにより、ビーム蒸着の際のビーム
断面内の粒子密度分布による膜厚不均一性を緩和することが一般的であるが、必要な基板
サイズに対してビーム径が極端に小さい場合には、膜厚の不均一性を緩和するために必要
な走査回数が増大し、膜厚の均一性の確保が困難になり、薄膜生成の制御性に問題が生じ
る。例えば、近年のエレクトロニクス産業における低価格化の要請から半導体基板サイズ
は３００ｍｍ径が主流になりつつあり、更に近い将来４００ｍｍ、５００ｍｍ径の半導体
基板の利用も想定される。それに対して、真空ポンプの排気量の制約などから、中性粒子
ビーム径は大きいものでも２０ｍｍ以下が一般的であり、大面積の基板への均一な薄膜蒸
着には更に大口径の中性粒子ビームが必要とされている。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであって、中性粒子ビームのビーム径を
広げ、基板上のより広い面積に粒子の堆積を行うことができる中性粒子ビーム口径拡大方
法及び口径拡大装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法は、中性粒
子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆積させる
際、該中性粒子ビームのビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大方法において、該
中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用
させる手段を設け、該中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴とする。
【０００７】
この構成は、本発明の基本構造を示すもので、中性粒子生成源から出力された粒子ビー
ムの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段を
設け、該中性粒子ビームのビーム径を拡大することを特徴とする中性粒子ビームの口径拡
大手法を提案する。即ち、ビームの断面の中心からビームの周辺に向かう物理的力を中性
粒子群に与えることで、ビームの口径を広げるものである。
この構成によれば、高性能化された中性粒子生成源から出力される中性粒子ビームのビ
ーム径を途中で拡大し、基板上のより広い面積に粒子の堆積を行うことができ、基板の膜
厚の成長速度も遅くすることが可能で、膜厚の制御、膜の均一性を得易いというメリット
を持つ。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
前記中性粒子生成源としてクラスター生成容器を用い、不活性ガスを満たした該クラスタ
ー生成容器内で、間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材料
蒸気の分子又は原子同士の結合によりクラスター群を形成せしめ、形成されたクラスター
群を、該クラスター生成容器の容器窓から中性粒子ビームとして出力せしめることを特徴
とする。
【０００９】
この構成は、請求項１における中性粒子生成源の具体的実現手段を提供するものである
。即ち、図９に示したクラスター製造技術により生成されたクラスター粒子群を図１０に
示す如く容器の窓から中性粒子ビームとして出力せしめるもので、容器の窓から基板に至
る中性粒子ビームの流路Ｃに粒子ビームの流れを広げる手段を設け、容器の窓の面積に対
して基板上のより広い面積に粒子を散布することを特徴とする中性粒子ビームの口径拡大
方法を提案するものである。当然のことながら、膜形成過程では、基板を移動させ、より
広い面積に均一な密度に中性粒子に基づく膜を生成することができる。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変化
させるガイドであることを特徴とする。
この構成は、中性粒子の流れを変化させ広げる手段として、機械的なガイドを利用した
ものである。ガイドの形状として例えば頂点が中性粒子発生源に向いている円錐状の障害
物を用いれば、ビームの流れを乱すことが少なく周囲に均等に拡げることができ、中性粒
子ビームを基板上のより広い面積に堆積することができる。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの方
向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは不活性ガスを含むことを
特徴とする。
【００１２】
この構成は、中性粒子の流れを変化させ広げる手段として、ガス圧を利用したものであ
る。なお、ガス圧利用にあたっては、ガス噴出の様態には種々あり、粒子ビームの流れる
方向に対して逆方向、順方向、横方向にガスを噴出させる様式があり得る。しかし、いず
れの場合も、ガスの噴出は、粒子ビームの断面で見て中心部でなされ、あるいは、中心部
に向けてなされ、ガスの圧力がビーム粒子に対してビーム断面の中心から周辺部に向かう
力が加わるように行われ、ビーム断面積が拡大する方向にビーム粒子の流れを変化させる
ものである。これにより、前述したガイドと同様に、中性粒子ビームのビーム径を広げ、
基板上のより広い面積に粒子の堆積を行うことができる。
さらに、逆方向あるいは順方向のガス噴出は、ビーム粒子速度を減速あるいは加速させ
る機能を有するものである。これにより、ビーム粒子速度を堆積膜形成上好ましい速度に
調整することが可能となる。
【００１３】
また、請求項５記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの方
向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは、該中性粒子と結合して
基板に堆積後の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分を
含むことを特徴とする。
この構成は、中性粒子の流れを変化させるガスに、単なる不活性ガスだけではなく、粒
子の周囲に、粒子堆積時に各粒子間を結合せしめる物質、例えば酸素原子を付加せしめる
反応性ガス成分を含ませたものである。これにより、基板上のより広い面積に粒子を堆積
せしめると同時に、膜の電気的性質を変化せしめることができる。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変化
させるガイドと、該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力と
を併用し、該ガスは不活性ガスを含むか、あるいは、該中性粒子と結合して基板に堆積後
の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分を含むことを特
徴とする。
【００１５】
この構成は、中性粒子の流れを変化させ広げる手段として、前述の請求項３と請求項４
の手段を併用しているが、さらに、請求項３と請求項５の手段の併用も提言している。す
なわち、前述した機械的なガイド及びガス圧の両手段を併用し、かつ、ガスの成分として
、請求項４記載の不活性ガス、請求項５記載の該中性粒子間を結合させる成分のいずれの
場合もありうることを主張している。また、上記反応性ガスの反応効果を高めるために噴
出ガスを予め加熱しておくことも有効手段である。これにより、より効果的に、基板上の
より広い面積に粒子の堆積を確実に行うことができる。
【００１６】
また、請求項７記載の発明は、請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法に係り、
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビー
ムの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの方
向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該中性粒子中に含まれる該中性粒
子と質量の異なる粒子を除去する手段をさらに設けることを特徴とする。
【００１７】
この構成は、請求項４における粒子ビームの流路で噴出させるガス圧を活用し、中性粒
子中に含まれる所望の中性粒子と重さが異なる混入物の除去を併せて行うことを特徴とす
るものである。なお、所望の中性粒子と重さが異なる混入物としては、材料ターゲットに
レーザビームを照射する際、表面から中性粒子形成の元になる材料蒸気の他にターゲット
表面で溶融した材料の液状飛沫がある。これは、レーザビーム照射量の増大に伴ってター
ゲット表面の溶融が起こり、不安定な過熱状態になると後続ビーム照射等の刺激により爆
発的な気化が起こり、溶液を飛散させる現象と考えられる。
【００１８】
また、請求項８の発明は請求項１〜７のいずれか１項に記載の中性粒子ビームの口径拡
大方法に係り、中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当てる手段にお
いて、該中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう
力を作用させる手段を設け、該中性粒子ビームのビーム径を拡大せしめると共に、該ビー
ムの流路の周囲にビーム粒子の広がりを限定する覆いを設けたことを特徴とする。
この構成は、ビームの流路の周囲にビーム粒子の広がりを限定する覆いを設けたことを
特徴とするものであり、これにより、拡大されたビーム口径を規定し、粒子量の散逸を防
ぎ、規定領域内の膜の平坦化に寄与するものである。
【００１９】
また、請求項９記載の中性粒子ビームの口径拡大装置は、中性粒子生成源から出力され
た中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆積させる際、該中性粒子ビーム
のビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大装置において、該中性粒子ビームの途中
において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段を有し、該
中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴とする。
【００２０】
この構成は、中性粒子生成源から出力された該中性粒子ビームの途中において該中性粒
子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段を有し、中性粒子生成源から
出力されたビーム径を拡大することを特徴とする中性粒子ビームの口径拡大装置を提案す
るものである。この装置を用いることにより、中性粒子生成源の装置が高性能化され、高
密度の中性粒子ビームを送出した場合に、粒子ビーム径を広げて、基板上により広い面積
に適切なビーム内粒子密度で粒子による堆積膜を形成することができ、膜形成の制御が容
易となる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、中性粒子ビームのビーム径を広げ、基板上のよ
り広い面積に適切な粒子速度と堆積速度で粒子の堆積を行うことができるという効果が得
られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態は
、クラスター群の流れを変化させ広げる手段について具体的に示した例である。
［第１実施形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る中性粒子ビーム口径拡大方法の原理を示す概略図
である。この図は、クラスター生成容器から流出する中性粒子の流れの方向を変える手段
としてガイドを用いた例を示す図である。
【００２３】
本実施形態では、同図に示すように、中性粒子生成源としてのクラスター生成容器５に
おいて生成され、該クラスター生成容器５から流出された中性粒子ビームの流路の途中に
該中性粒子の流れの方向を変化させるガイド１１を設け、該中性粒子ビームのビーム径を
拡大して、基板９上に堆積させている。クラスター生成容器５は、不活性ガスを満たし、
間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材料蒸気の分子又は原
子同士の結合により中性粒子を形成せしめ、形成された中性粒子を、該クラスター生成容
器５の容器窓７から中性粒子ビームとして流出せしめる。
【００２４】
ガイド１１は、中性粒子ビームの流路のほぼ中心部において該流れの方向を周囲に広げ
るように変化させる。ガイド１１の形状として、例えば同図に示すような円錐状の障害物
を用いて基板１０上への粒子堆積面積を拡大することが考えられる。
なお、図１では、従来用いられているスキマー（図１０の８）は省略されている（以下
の図面も同様）が、ガイド１１で中性粒子ビームを拡大する前、あるいは拡大した後に設
けることができる。
また、当然のことながら、膜形成過程では、基板９を移動させることにより、更に広い
面積に膜を形成することができ、同時に膜厚の均一化を図ることができる。
【００２５】
［第２実施形態］
次に、図２〜図４を参照して、本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大
方法について説明する。
図２及び図３は、本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を
示す概略図である。図２は、噴射ガスの方向が中性粒子の流れる方向に対して逆方向の場
合、図３は、噴射ガスの方向が中性粒子の流れる方向に対して順方向の場合を示す。これ
らの図は、クラスター生成容器から流出する中性粒子の流れの方向を変える手段として噴
射ガスの圧力を用いた例を示す図である。
【００２６】
本実施形態では、図１に示したガイド１１の代わりに噴射ガス１３の圧力を使っている
。すなわち、図２及び図３に示すように、ガス噴出機１４のガス噴出口１２から不活性ガ
スからなる噴出ガス１３を噴射することで、クラスター生成容器５の容器窓７から流れて
くるクラスター群６の流れを周囲に分散させ、結果的に基板９上へのクラスター散布面積
を拡大し、広い面積にクラスター膜を形成する。
【００２７】
ここで、噴射ガス１３が噴射される方向は、中性粒子ビームが流れる方向に対して逆方
向、順方向、横方向のいずれの方向も可能であるが、本実施形態においては、中性粒子ビ
ームが流れる方向に対して逆方向の場合（図２）と、順方向の場合（図３）を示す。また
、噴射される位置は、中性粒子ビーム６が流れる方向に直角な断面のほぼ中央部に設定し
ているが、この位置に限定されることはない。
【００２８】
図４は、本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法における噴出ガス
成分に、クラスター６と反応してクラスター６の表面にクラスター間を結合させる物質を
付加せしめる反応性ガス成分を含ませた場合における、堆積された粒子膜の構造を示す模
式図である。中性粒子材料をシリコンＳｉとし、反応性ガス成分として酸素Ｏを含ませた
例である。クラスター生成容器５を用いて得られる中性粒子はクラスター６の膜厚寸法が
揃ったものが得られるという顕著な特徴があり、膜形成時にクラスター間の引力と斥力と
によりクラスター６の格子構造を形成させることが可能となる。また、中性粒子６を形成
するシリコンは，表面に原子間結合の継手が出ており、この継手に酸素原子が結合する。
従って、図４に示すように各Ｓｉ原子が１つのＯ原子と結合した構造の粒子間の結合が考
えられる。粒子間には空隙部分が存在するので、この空隙部分を後で絶縁性物質で埋めて
も埋めなくても、シリコン粒子間には電気エネルギー障壁が形成されることになる。
【００２９】
［第３実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図５は、本発明の第３実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は、図１に示したガイド１１と、図２に示した噴出ガス１３とを併用した実
施形態である。すなわち、ガス噴出機として図５に示すようなガス噴出機１４ａを用い、
このガス噴出機１４ａの中にガイドとして同図に示すようなガイド１１ａを配置し、この
ガイド１１ａの形状を利用してガス噴出口１２ａから噴出された噴出ガス１３ａをクラス
ターの流れの中央部にもぐりこませ、流れを周囲に広げる機能を効果的に実現するもので
ある。すなわち、クラスター群６の流れは、ガス噴出機１４ａから噴出されるガス１３ａ
によって流れの方向が変わり、その際、ガイド１１ａをガス噴出機１４ａの内部に入れて
いるので、噴射ガス１３ａの圧力が弱くてもガス噴出機１４ａの内部に入ることはなく、
ガス噴出機１４ａの外壁に沿って流れることになる。従って、この方法によっても、基板
９上における中性粒子ビームの口径を拡大し、広い面積にクラスター膜を形成すると共に
、膜厚の均一化を図ることができる。
なお、ここで噴射ガス１３ａは不活性ガス成分だけの場合と反応性ガス成分を含む場合
が可能である。
また、図５は噴射ガスがクラスター群の流れと逆方向であったが、順方向の場合であっ
ても、ガイドと噴射ガスを併用する構成は可能である。
【００３０】
［第４実施形態］
次に、図６を参照して、本発明の第４実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図６は、本発明の第４実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は、クラスター６の流れを図５で説明した第３実施形態に係るガス噴出機１
４によって噴出される噴射ガス１３によって広げると同時に、寸法の揃ったクラスター群
６からそれ以外の混入物を除去する機能を持たせた実施形態である。
【００３１】
すなわち、ガス噴出機として同図に示すようなガス噴出機１４ｂを用い、このガス噴出
機１４ｂの中にガイドとして同図に示すようなガイド１１ｂを配置し、このガイド１１ｂ
の形状を利用してガス噴出口１２ｂから噴出された噴射ガス１３ｂをクラスターの流れの
中央部にもぐりこませることにより、流れを周囲に広げる機能を効果的に実現するもので
ある。ガイド１１ｂには窓を設け、クラスター生成容器の窓７から流れてくる中性粒子６
より重い物質は噴射ガス１３ｂによって流れが変えられずに直進してガイド１１ｂに設け
られた窓に飛び込むことになり、従って、基板９の方に流れることはない。一方、クラス
ター６より軽い物質はクラスター６より更に進行方向が大きく曲げられ、これを遮蔽板１
５により取り除くことができる。
【００３２】
［第５実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第５実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図７は、本発明の第５実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は、図６で説明した第４実施形態と同様に、ガス噴出機１４ｃからの噴射ガ
ス１３ｃによって中性粒子６の流れの方向を変えるのと同時に寸法の揃った中性粒子６か
らそれ以外の混入物を除去する機能を持たせた実施形態である。この場合は、図２で示し
た逆方向、図３で示した順方向ではなく、クラスター６の流れの方向に対して側面（横方
向）からガス１３ｃを噴射している。従って、比較的重い物質は流れの方向を変えずに矢
印Ｄに示すように直進するが、一方、比較的軽い粒子はより大きく流れの方向を矢印Ｅに
示すように変えることになり、これにより混入物を取り除くことができる。そして、この
例においても遮蔽板１５を設置し、クラスター６より軽い物質はクラスターより更に進行
方向が大きく曲げられ、これを遮蔽板１５により取り除くことができる。なお、この場合
も前述した実施形態と同様に、クラスター６の流れを広げることは、クラスター生成容器
５の容器窓７から流れてくるクラスター群６より幅（図面に向かって前後の）の狭い噴出
ガスをクラスター流の中央部に向かって噴出することで実現する。また、この手法を適用
した場合、クラスター流の流速の変化を比較的少なくしてクラスター６を基板９に散布す
ることができるという特徴を持つ。
【００３３】
〔第６実施形態〕
次に、図８を参照して、本発明の第６実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法に
ついて説明する。
図８は、本発明の第６実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略
図である。
本実施形態は第１から第５までの実施形態に適用可能な手法であるが、図８は第３の実
施形態の図５に適用した例を示す。中性粒子ビームの口径が拡大する粒子流路の周囲に覆
い１６を設けることにより、拡大されたビーム口径を規定し、粒子量の散逸を防ぎ、規定
領域内の膜の平坦化に寄与するものである。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定
されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態においては、ガイド１１として円錐状の障害物を用いたが、
これに限定されることはなく、種々の形状のガイドを用いることができる。また、基板９
をスイ−プする代わりに、中性粒子ビームとガイド１１の組み合わせを移動させて用いる
こともできるし、基板９と，中性粒子ビームおよびガイド１１の組み合わせとの両方を移
動させて用いることもできる。
【００３５】
また、上述した実施形態においては、ガスの種類として不活性ガスを挙げたが、これに
限定されることなく、クラスター群６の流れを周囲に分散させ、基板９上へのクラスター
散布面積を拡大し、広い面積にクラスター膜を形成することができ、膜厚の均一化を図る
ことができるガスであれば、他の種類のガスを用いることも可能である。
また、上述した実施形態においては、噴出ガスの方向を、中性粒子の流れの方向に対し
て逆方向、順方向、横方向の場合の実施形態を示したが、これに限定されることはなく、
斜め逆方向、斜め順方向等種々の方向に設定することができる。
また、上述した実施形態においては、各手段をクラスター群の流路のほぼ中心部に配置
することが好ましいとしたが、これに限定されることはなく、種々の環境に対応して広い
面積にクラスター膜を形成できる位置ならば、あらゆる位置に配置することが想定される
。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理（逆方向）を示す概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理（順方向）を示す概略図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法における噴出ガスの成分に反応性ガス成分を含めた場合に堆積された膜の構造の例を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係る中性粒子ビームの口径拡大方法の原理を示す概略図である。
【図９】従来例の原理を示す概略図である。
【図１０】従来例のクラスター膜生成方法を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ターゲット、２…レーザビーム、３…材料蒸気、４…衝撃波（の進行方向）、５…ク
ラスター生成容器、６…中性粒子ビーム（クラスター群）、７…容器窓、９…基板、１１
，１１ａ，１１ｂ…ガイド、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ガス噴出口、１３，１３ａ
，１３ｂ，１３ｃ…噴射ガス、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ…ガス噴出機、１５…遮蔽
板、１６…覆い
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆
積させる際、該中性粒子ビームのビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大方法にお
いて、
該中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を
作用させる手段を設け、該中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴とする
中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項２】
前記中性粒子生成源としてクラスター生成容器を用い、不活性ガスを満たした該クラス
ター生成容器内で、間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材
料蒸気の分子又は原子同士の結合によりクラスター群を形成せしめ、形成されたクラスタ
ー群を、該クラスター生成容器の容器窓から中性粒子ビームとして出力せしめることを特
徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項３】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変
化させるガイドであることを特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項４】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの
方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは不活性ガスを含むこと
を特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項５】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの
方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは、該中性粒子と結合し
て基板に堆積後の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分
を含むことを特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項６】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変
化させるガイドと、該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力
とを併用し、該ガスは不活性ガスを含むか、あるいは、該中性粒子と結合して基板に堆積
後の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分を含むことを
特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項７】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの
方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該中性粒子中に含まれる該中性
粒子と質量の異なる粒子を除去する手段をさらに設けることを特徴とする請求項１記載の
中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項８】
中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当てる手段において、該中性
粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させ
る手段を有し、該中性粒子ビームのビーム径を拡大せしめると共に、該ビームの流路の周
囲にビーム粒子の広がりを限定する覆いを設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれ
か１項に記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項９】
中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆
積させる際、該中性粒子ビームのビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大装置にお
いて、該中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう
力を作用させる手段を有し、該中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴と
する中性粒子ビームの口径拡大装置。
【請求項１】
中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆
積させる際、該中性粒子ビームのビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大方法にお
いて、
該中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を
作用させる手段を設け、該中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴とする
中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項２】
前記中性粒子生成源としてクラスター生成容器を用い、不活性ガスを満たした該クラス
ター生成容器内で、間欠的なレーザビームを材料の固体ターゲットに照射し、発生した材
料蒸気の分子又は原子同士の結合によりクラスター群を形成せしめ、形成されたクラスタ
ー群を、該クラスター生成容器の容器窓から中性粒子ビームとして出力せしめることを特
徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項３】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変
化させるガイドであることを特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項４】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの
方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは不活性ガスを含むこと
を特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項５】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの
方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該ガスは、該中性粒子と結合し
て基板に堆積後の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分
を含むことを特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項６】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように変
化させるガイドと、該中性粒子の流れの方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力
とを併用し、該ガスは不活性ガスを含むか、あるいは、該中性粒子と結合して基板に堆積
後の該中性粒子間を結合させる物質を該中性粒子の表面に付加せしめる成分を含むことを
特徴とする請求項１記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項７】
該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させる手段は、該中性粒子ビ
ームの途中のビーム断面中央部において、あるいは中心部に向けて、該中性粒子の流れの
方向を周囲に広げるように噴射されるガスの圧力であり、該中性粒子中に含まれる該中性
粒子と質量の異なる粒子を除去する手段をさらに設けることを特徴とする請求項１記載の
中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項８】
中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当てる手段において、該中性
粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう力を作用させ
る手段を有し、該中性粒子ビームのビーム径を拡大せしめると共に、該ビームの流路の周
囲にビーム粒子の広がりを限定する覆いを設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれ
か１項に記載の中性粒子ビームの口径拡大方法。
【請求項９】
中性粒子生成源から出力された中性粒子ビームを対象物に当て該対象物に中性粒子を堆
積させる際、該中性粒子ビームのビーム径を拡大する中性粒子ビームの口径拡大装置にお
いて、該中性粒子ビームの途中において該中性粒子に対してビーム中央から外周に向かう
力を作用させる手段を有し、該中性粒子を該対象物の広い面積に堆積させることを特徴と
する中性粒子ビームの口径拡大装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２９９３１６（Ｐ２００６−２９９３１６Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１２０２３０（Ｐ２００５−１２０２３０）
【出願日】平成１７年４月１８日（２００５．４．１８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１８日（２００５．４．１８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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